燃气装置烟气余热回收分析与综合设计.docx

摘要
伴随中国不停发展，能源消费量逐步增大，这也带来了严重环境污染问题，所以中国施行节能减排和能源结构调整。现在，在中国社会能源环境领域，推行使用天然气等清洁能源、新技术，已经成为关键研究课题。
近几年来，燃气锅炉正逐步取缔燃煤锅炉在生活和生产方面。不过，现在燃气锅炉排烟温度全部很高，烟气中余热得不到回收和利用。所以，怎样使锅炉排烟热损失降低和提升燃气利用率，已经成为了节能环境保护工作中关键研究课题。一般燃气锅炉，排烟温度通常为180℃左右，烟气中存在大量过热态水蒸气，其体积分数在10%左右，是烟气热量损失关键部分。回收利用排烟显热和烟气凝结潜热可极大提升能源利用率。
本文首先对中国能源利用现实状况、节能形势、燃气冷凝式锅炉工作原理、中国外研究现实状况和天然气利用进行了概述。其次，分析了天然气燃烧后烟气中产物，分析了烟气中能够回收显热量和潜热量关系，提出了烟气中汽化潜热能否有效回收是确保冷凝式换热器回收效果关键原因。然后，本文对多种换热器进行了介绍，对冷凝换热器进行设计和分析，冷凝式换热器采取H型鳍片管换热器，鳍片管顺列部署，H型鳍片管优点是耐磨性能好，积灰少，体积小，空气阻力小，综合性能好。最终对燃气锅炉加装冷凝换热器经济效益进行了分析。研究表明，常规燃气锅炉加装冷凝换热器后，锅炉排入大气污染物大大降低，环境保护效益显著。
关键词：燃气冷凝式锅炉、锅炉热效率、热管、余热

Abstract
Key words： gas condensing boilers, boiler thermal efficiency, heat pipes, waste heat.

第一章 绪论
1.1 中国能源利用情况及节能环境保护紧迫性
1.1.1能源利用现实状况
社会进步和经济发展和能源密不可分，也是一个国家综合国力和人民生活水平关键表现。伴随社会经济不停发展，环境污染和经济发展协调问题日益严重。能源和环境问题是现在社会最关注问题。人类有3次能源利用结构调整 [1]：
(1)18世纪，因为第一次世界能源结构转变：原始柴薪能源逐步被以煤为主化石能源替换。到1990年，世界煤炭产量大约为7.45亿吨，比当初一次能源总量94%还要高。这次能源结构改变打破了16世纪欧洲文艺复兴文明发展停滞不前局面，推进了资本主义工业迅猛发展。
(2)20世纪，石油、天然气生产和使用量迅猛增加。这推进了内燃机等发展，所以很多西方国家经济得到快速发展。到了20世纪60年代，石油消耗量每十年就可提升一倍。石油消耗量不停增加，使我们进入了现代文明和世界经济新阶段。
(3)环境污染问题和能源危机使大家意识到调整能源结构紧迫性，经过降低化石能源消耗来实现经济可连续发展。
中国是世界上拥有能源资源最丰富国家之一，但也是能源消耗量也很大，能源一次消耗总量靠近于美国。截止到，中国投入1145亿元在地质勘查上，新发觉大中型矿产地有249处。油气勘查取得了巨大突破，首次探明页岩气地质储量约为1068亿m3，新探明石油地质储量10.6亿吨，天然气9438亿m3[2]。这和以来中国实施勘探矿物突破战略行动关系重大。中国有很丰富再生能源资源，其中，水能资源可开发量理、论储藏量和经济可开发量全部处于世界首位。 煤在中国能源结构所占比重很高，其比重高达70%~80%，比其它发达国家煤仅占20%~30%水平高得多。从这十年中国能源消耗和生产结构来看，原煤生产和煤炭消费比重占了极其关键地位，石油消费和原油生产比重不停下降，天然气和其它能源(水电、核电、风能)消费和生产比重总体展现出了上升趋势。
表1-1中列举了中国从1990~能源消费总量及组成数据。从这些数据改变中能够看出，伴随中国经济快速发展，消费水平不停提升，中国能源消费量一直在迅猛增加。其中煤占能源消费量比重是最高，占比约为70%，从开始中国煤消费量正逐步降低，天然气和新能源消费量一直在迅猛增加，估计到天然气占比将达成10%，而煤占比可能下降到60%，其它一次电力和新能源消费占比也会逐步增高。
表1-1 能源消费总量及组成[3]

年份

能源消费总量
(万吨标准煤)

占能源消费量比重(%)
煤炭
石油
天气
一次电力及其它能源
1990
98703
76.2
16.6
2.1
5.1
1991
103789
76.1
17.1
2.0
4.8
1992
109170
75.7
17.5
1.9
4.9
1993
115993
74.7
18.2
1.9
5.2
1994
122737
75.0
17.4
1.9
5.7
1995
131176
74.6
17.5
1.8
6.1
1996
135192
73.5
18.7
1.8
6.0
1997
135909
71.4
20.4
1.8
6.4
1998
136184
70.9
20.8
1.8
6.5
1999
140569
70.6
21.5
2.0
5.9

146964
68.5
22.0
2.2
7.3

155547
68.0
21.2
2.4
8.4

169577
68.5
21.0
2.3
8.2

197083
70.2
20.1
2.3
7.4

230281
70.2
19.9
2.3
7.6

261369
72.4
17.8
2.4
7.4

286467
72.4
17.5
2.7
7.4

311442
72.5
17.0
3.0
7.5

320611
71.5
16.7
3.4
8.4

336126
71.6
16.4
3.5
8.5

360648
69.2
17.4
4.0
9.4

387043
70.2
16.8
4.6
8.4

402138
68.5
17.0
4.8
9.7

416913
67.4
17.1
5.3
10.2

426000
66.0
17.1
5.7
11.2
1.1.2 节能环境保护紧迫性
“十二五”期间，中国经过调整经济结构、转变发展方法来节省能源消耗，而且出台了一系列政策和方法，使中国单位生产总值能耗量累计降低大约19.06%，支持了国民经济年均大约11.2%增加，能源消耗弹性系数由1.05下降到0.58 在“十一五”期间。然而中国得能源消耗总量却由24.6亿吨标准煤升高到32.5亿吨标准煤，且和西方发达国家相比，能源加工、贮运、转换和终端科用综合效率仍然比较低，到时这个效率为33%，而西方发达国家在20世纪90年代初就达成了41%。而能源消耗平均热效率还比较低，在发达国家火电厂能源利用效率通常为35%~40%，工业锅炉效率约为80%；而中国依次为30%以下和60%~70%，中国燃用石油、煤炭、天然气平均热效率比发达国家全部要低。所以提升能源利用率和节能减排是当务之急。在中国，最关键能源消耗领域是工业，工业能耗量约占能耗总量70%，显然，只有从根本上缓解中国能源消耗量大，资源供给担心问题才能处理好工业设备节能问题[4、5]。
化石能源滥用不仅是带来能源危机，而且还对大气、水体、土壤等生态系统带来很多严重影响，是环境污染关键根源[6]，已经危及本身生存环境。因为化石燃料被大量使用，造成了酸雨、温室效应、臭氧层破坏和生态环境破坏等严重环境污染问题，全部急需去处理。而节省能源，降低化石能源消耗量，能够从根本上缓解这些问题。
中国能源结构调整为努力扩大收入起源、降低支出、节省优先、保护环境方法，建立一个较为稳定，经济，安全和清洁能源供给体系[7]。中国经济发展形式转变由原来以资源消耗、能源为基础粗放型模式改变为环境友好型和资源节省型。
1.2 天然气消费及利用
天然气是一个清洁、高品质、高效燃料，在全部化石能源中碳排放系数是最小。天然气被普遍应用在各个领域，在世界能源消耗结构中所占比重约为24 %。天然气通常指气田气和油田气，另外还有煤系天然气。其关键由烃类，关键是甲烷，还有乙烷、丙烷和丁烷等组成。
1.2.1 天然气消费
和发达国家平均水平进行比较，中国天然气使用率还尤其低。关键是因为中国天然气工业基础还较微弱，从图1-1 能够看出近十年中国能源消费结构中天然气百分比正逐步增大，但中国天然气在一次能源消耗中百分比仅约为6%，更是比世界平均24%水平和27%美国水平低得多，同时比亚洲平均8.8%水平低。现在世界人均天然气消费量约为403 m3/a，不过中国仅仅为25 m3/a。 不过“西气东输”管道工程商业运作，表明中国天然气市场由发育阶段进入发展阶段，而且估量这一阶段可能会连续到2030年[8]。在这时期中，中国天然气管网、储气库等基础设施建设不停地加紧，将逐步在全国形整天然气主干管网；天然气产量和产能建设将快速增加，将不停扩展进口天然气渠道，所以将会形成多元化供气格局。在这基础之上，天然气消费量在中国能源结构中所占百分比将会不停增加。

图1-1 能源消费百分比
依据大多数城市处理大气污染经验可知，降低大气污染关键路径是去改变一次能源消费结构。天然气燃烧后产物中基础不存在烟尘和S02；氮氧化物排放量比燃煤降低约47％、燃油降低约61％；CO2排放量比燃煤低约53％、比燃油低26％左右。天然气再供暖、工厂供热应用上有显著节能效益。大、中型燃煤锅炉房，运行时平均热效率只有76％，小型燃煤锅炉运行效率愈加低；集中供热热效率约为80.7％，火力发电厂约为35％，能源转换总效率约为39％；因为燃气锅炉自动控制水平较高等，其热效率基础上可超出85％[9]。
为了节省能源、保护环境、实现可连续发展，提升天然气等清洁能源消费百分比，降低煤炭消费百分比，实施能源结构调整极其关键，也是很多城市实施环境保护和节省能源关键课题。于用于城市生产生活供热锅炉，推荐使用燃气锅炉来取缔中小型燃煤锅炉。在中国大多数城市，煤炭正逐步被天然气等比较清洁能源替换[10]。
在推广使用天然气同时也应该注意节省用气，而研发高效利用天然气技术是现在当务之急。
1.2.2 天然气利用技术
中国天然气在化工、油气田开采和发电等地方所占比最大，其占比87%以上，其中化肥领域约占38.5%，而居民用气量在天然气消费结构中占比10%还低 。从开始中国天然气产量极大增加，关键是因为有多个新大气田被发觉。中国天然气产量累计约为 ，增加了21.9%。天然气需求量达成。中国天然气使用仍然处于起步阶段，因为天然气产量比较低，天然气利用通常是以产定用。关键利用天然气地域是天然气产地邻近城镇及工业区。在世界上天然气关键被用在工业、发电、居民燃料等领域，而中国关键利用在化肥工业中，因为天然气工业发展和环境保护要求，天然气利用方向应以发展“以气代油”、“以气发电”、“城市气化”为主[11]。
经过能源利用方法可把天然气分为工业燃料、城市燃气、发电和化工等四类。在工业燃料领域，天然气较多被用在冶金、玻璃、建材等领域；在城市燃气领域，能分为公工商业、民用生活、小工业企业燃料用气等领域；在发电领域，天然气较多被用于热电厂；而在化工领域用气关键包含甲醇、化肥和制氢等。
在“十五”以前，有50%以上天然气全部被用在化工行业。近几年，天然气使用不停增多，利用方向也是多个多样，伴随环境保护要求不停提升，消费结构得到了极大优化，尤其是在建设和完善大型基础设施管道方面，天然气消费面逐步变广。除用于化工原料外，天然气己开始大量地用在城市燃气和替换燃煤、燃油等其它工业燃料。
经过逐步完善中国天然气消费结构，把原来化工占主导地位单一结构向工业燃料、城市燃气等多个方面结构调整。伴随社会不停发展，天然气被越来越多城镇居民作为燃料，天然气消耗量迅猛增加。未来在中国城市燃气中天然气将逐步成为最关键燃料。由统计可知，中国使用民用天然气人口约为1.4亿，覆盖两百多个地级市及以上城市；在全国城镇人口6.1亿中，城镇天然气平均气化率只有大约23 %。估量到，这个百分比可能提升到40%~50% [8]。
1.3 燃气冷凝式锅炉
若锅炉排烟温度要比烟气露温度低，烟气中水蒸气汽化潜热就能够释放出来。当排烟温度比较低时，烟气中水蒸气冷凝大量汽化潜热被释放，当以燃料低位发烧量Qdr为标按时，锅炉热效率可能抵达l00%以上，这么锅炉称为冷凝式锅炉(condensing boiler)[12、13]。在国外，冷凝式锅炉通常是指能够利用烟气中水蒸气汽化潜热锅炉。其可将烟气中排烟温度降得比较低，而且烟气中显热和汽化潜热得到有效回收利用，极大提升锅炉热效率同时，烟气中对环境有害物质浓度极大降低，降低了大气污染[14]。
1.3.1 燃气冷凝式锅炉工作原理
1.冷凝式燃气设备节能机理
天然气在燃烧后产物中产生大量水蒸气和 CO2，假如天然气过量空气系数和空气湿度不相同，则烟气中水蒸汽含量也会不相同，水蒸气体积份额最高可达20%，其燃烧化学方程式为：
(1-1)
经过化学方程式(1-1)可知，每燃烧一标准立方米天然气大约能产生2Nm3水蒸气，水蒸气中所包含汽化潜热大约为燃气低热值11%，这表明每当燃烧每1 Nm3燃气时将会提供100 kW显热，同时也产生11kW潜热。若在保温条件良好时，排烟热损失就是最关键热损失。经过将排烟温度降到露点温度以下，使烟气中水蒸气冷凝释放放出来，回收利用排烟中显热和潜热，就是冷凝式换热器工作原理[15]。
2.冷凝式锅炉热效率
排烟热损失是燃气装置最关键热损失，损失大小取决于排烟量和排烟温度大小。在燃料一定时，过量空气系数大小和排烟量大小亲密相关，不过过量空气系数大小只和燃烧情况有直接联络。在过量空气系数比较小时，假如使排烟温度降低得比较低会极大降低排烟热损失。伴随过量空气系数不一样烟气中水蒸气含量也会不一样。图1-2 [16] 在给定温度下，由烟气中水蒸气含量和空气、干烟气和水蒸气温一焓表，就能够确定烟气携带热量，从而得出燃气设备节能潜力。但锅炉效率会伴随过量空气系数提升而降低，余热回收就会变得很困难。最简单有效方法是确保锅炉运行在最好过量空气系数下，这么能够确保在安装烟气余热回收装置前后锅炉全部有比较高热效率。

图1-2不一样过量空气系数下烟气水蒸气含量
3.燃气设备排烟中热能回收潜力
天然气高位发烧值(HHV) 通常是指 (101.325kPa，20℃) 1 m3干气体和空气完全混合燃烧，燃烧产物冷却到刚开始时放热温度，燃烧后水蒸气冷凝至液体状态时向环境所产生热量。低位发烧值和高位发烧值定义相同，但假如燃烧后生成水蒸气仍然保持气体状态时，水蒸气汽化潜热将回收不到。
一般换热器燃烧时，燃料高位热值80%~85%传输给了工质，其它热量直接经过表面散热和排烟损失释放到环境中去。对于燃用天然气设备，烟气中水蒸气所携带热损失占整个排烟热损失55%~75%，具体数值取决于排烟温度和过量空气系数。对于拥有比天然气更低碳氢比燃料，比如，一些燃油，这一份额会低部分；而对于拥有比较多含水量燃料，比如，一些固体燃料，这一份额会高部分；图1-3给出了热回收通常，图1-4 热效率提升潜力随进口烟温改变情况，经过这个能够天然气燃烧系统热效率有很大提升潜力 [16]。
能否将回收热能利用是需不需要采取冷凝式烟气余热回收装置前提条件。水蒸气潜热热量能够回收多少取决于冷凝式烟气余热回收装置利用率和利用温度。若利用温度靠近排烟露点温度，回收到热量会极少。利用温度越低，回收热量就会越多。所以，在低温下预热冷水能得到比较高回收率，然而在比较高温度之下时能使能够回收热量降低。

图1-3 热回收潜力 图1-4 热效率提升潜力随进口烟温改变
影响烟气物性强迫对流凝结传热无因次准则是由显热交换和潜热交换相对大小决定。最近研究表明，烟气对流凝结换热系数和单相对流换热相比，可达1.7~3倍[17]，其大小伴随烟气雅格布准则数增大而增大。所以，排烟热能有个很大利用潜力，且在相同热能被回收时，冷凝式换热器所需换热面积比一般换热器要小得多。
1.3.2 燃气冷凝式锅炉在中国外发展历史及应用现实状况
在 20世纪70年代末产生一个新高效节能型热水器，其能把排烟温度降到60℃以下，和一般热水器相比要节能15%左右。而最含有代表性是1979年荷兰Gasunie企业研发样机，这种样机能使离开第一个换热器烟气温度在100~150℃左右，第二个换热器出口排烟温约为50~60℃ 。这种锅炉回水温度比较低，到1984年10%住宅供热锅炉是这种锅炉，其它建筑达成25%以上[16]。
伴随更成加熟设备产生，冷凝式锅炉被普遍应用于西方发达国家很多方面。从20世纪80年代起，法国从只有几千台冷凝式锅炉快速发展到只要是能确保有天然气供给条件新建筑，其供暖设备系统全部已采取冷凝式燃气热水锅炉，且近几年来运行效果极好。1985年，荷兰冷凝式锅炉每十二个月生产量为2.5万台/年，到1995年止，经过十年不停发展冷凝式锅炉被普遍地应用在工业建筑、住宅等领域，其中工业建筑供暖设备数量超出15万台，在工业建筑供热锅炉占比约为25%；住宅供暖设备甚至超出230万台被应用，占住宅供暖锅炉大约10%，冷凝式锅炉普遍应用使荷兰每十二个月约节省20亿Nm3天然气。西方很多国家经过不停试验和模拟分析和研究，全部不停研发出适合自己国家发展需要冷凝式锅炉。美国冷凝式燃气热水锅炉供暖系统普遍应用比欧洲稍晚，但伴随美国科技进步，拥有目前世界上很多形式冷凝式燃气供热锅炉优异技术。
中国能源结构一直全部是以煤为主，到20世纪90年代初，天然气消耗量才不停增加，用于供热天然气锅炉数量也开始增加，才逐步开展冷凝式锅炉研发工作。多年来伴随中国能源结构调整和施行节能减排政策，和天然气使用激励政策推行，中国有部分企业开始研发冷凝换热热回收装置，并应用在实际工程，取得了不错效果[18]。
最初含有冷凝式锅炉节能燃气锅炉是由陕西省能源中心高级工程师—吴仰天研发，其排烟温度可降低到45~ 65℃，燃气锅炉极限热效率能够超出100 % [19]。车得福、林宗虎等[23]研究了回收天然气锅炉烟气余热可行性和经济性。北京建筑大学王随林等[17]研究天然气供暖方法和天然气高效利用，燃气锅炉热效率能够提升5%左右，可去除8.7%左右氮氧化物，研究表明对流换热系数，有水蒸气凝结时烟气对流换热系数和无凝结时对流换热系数，二者比最大可抵达4。寇广孝等[24]提出了怎样去提升不一样燃料冷凝式锅炉热效率方法，而且指出了现在计算方法缺点。
赵军[25]经过对供热燃气锅炉在吸收式热泵机组技术、烟气冷凝换热器技术及烟气余热利用和脱硝一体技术在烟气余热回收利用实例应用研究和分析得出：(1)在排烟烟道上增加和一次热网水换热余热回收装置，将排烟温度降低到约60~70℃，可使锅炉效率提升约3%。但为了确保锅炉安全运行，在设计时必需复核其燃烧器对尾部受热面增加烟气阻力适应性、考虑到低温腐蚀，排烟温度应高出烟气露点温度5～10℃左右。(2)采取了烟气余热深度利用技术，可将锅炉排烟温度降低至30℃以下或更低，则锅炉效率提升约 10%以上。(3)采取烟气余热深度利用—–脱硝一体化技术，可将锅炉排烟温度降到30℃以下甚至更低，锅炉效率提升约10%；同时还可将烟气中NOx 浓度大幅度降低，环境保护效益显著。
第二章 燃气锅炉烟气分析及余热潜力计算
2.1 燃气锅炉烟气计算
以天然气为燃料，排烟温度比烟气露点温度低锅炉称为冷式燃气锅炉，而且经过回收烟气中显热和潜热，从而使锅炉热效率得以提升。烟气成份及热物性参数进行计算，从而能够分析出冷凝式燃气锅炉余热回收潜力。假如燃烧空气量是理论空气量，燃气完全燃烧产物即为理论烟气量。理论烟气量关键是SO2、N2、H2O和CO2组成。然而在实际燃烧过程中，为了确保燃料完全燃烧，空气系数通常比1大，所以实际烟气中还剩有未参与燃烧氧气。
2.1.1 天然气成份分析
以西气一线天然气为例计算实际烟气量和理论烟气量值。该天然气成份和各成份体积分数见表2-1。
表2-1天然气成份及其体积分数[27]
燃气成份
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
CO2
N2
体积分数(%)
96.23
1.77
0.30
0.14
0.13
0.47
0.96
完全燃烧1Nm3该天然气需要理论空气量：
Vk0=1212CH4+3.5C2H6+5C3H8+6.5C4H10+8C5H12 (2-1)
由式(2-1)计算得出燃烧该天然气时理论空气量为Vk0= 9.63 Nm3/ Nm3。
该天然气高位发烧量为Qgr=38.20MJNm3，低位发烧量为Qdr=34.43MJNm3，二者差值∆H为3.77MJ/Nm3，这个值就是水蒸气汽化潜热值。在通常排烟温度下，水蒸气表现为过热状态，所以可用公式(2-2)求汽化潜热值占低位发烧量百分比。
∆η=Qgr-QdrQdr×100% (2-2)
对于西气一线天然气，经过上式计算得出∆η=10.95%，这说明一般燃气锅炉每燃烧1Nm3天然气产物中带走汽化潜热占燃气低热值Qdr10.95%，就意味着在一般燃气锅炉中，关键热损失是由汽化潜热损失造成。同时，假如有效利用部分汽化潜热，那么能提升锅炉热效率。经过公式(2-3)计算冷凝式锅炉极限热效率。
∆η=QgrQdr×100% (2-3)
依据式(2-3)计算得出冷凝式燃气锅炉极限热效率为110.95%，但在实际燃烧过程中因为有多种热损失，热效率通常不会到极限值。极限热效率是经过冷凝式燃气锅炉回收干烟气显热和烟气中显热和水蒸气汽化潜热来定义，锅炉热效率能够达成最大值。假如以燃料低位发烧量为标准，极限热效率可能超出100%。
2.1.2 天然气燃烧产物计算
本文中烟气是天然气在锅炉内完全燃烧后产物。理论烟气成份为N2，H2O，CO2和SO2。在分析烟气时，SO2和CO2通常合在一起进行分析，且SO2和CO2有很多相同地方，所以SO2和CO2统称为三原子气体，用RO2示[28]。对于燃气锅炉，因为西气一线供给天然气含硫量极少，所以SO2基础可忽略，所以锅炉排烟RO2就只有CO2。
在实际运行中为了确保燃料充足有效燃烧，实际空气量和理论空气量比通常全部是大于1，该百分比称为过量空气系数。在燃烧完成后会有剩下空气，这时烟气中还有剩下氧气，此时烟气量称为实际烟气量。假如燃烧不完全，烟气中会含有CO，CH4和H2等未燃尽可燃成份[29]。
下面以西气一线天然气为例，计算天然气燃烧后理论烟气量、理论空气量及实际烟气量，而且分析了燃烧后产物。
(1)理论空气量
由上文可知，燃烧该天然气时理论空气量为Vk0= 9.63 Nm3/ Nm3。
(2)实际空气量
为了确保燃料燃烧效率，通常使锅炉实际送风量比理论空气量大。实际空气量和理论空气量比值称为过量空气系数，用α表示。依据式(2-4)求得实际空气量：
Vk=α×Vk0 (2-4)
实际运行时，燃气锅炉过量空气系数α通常为1.05~1.25，则依据式(2-4)，计算得到，天然气燃烧所需要实际空气量Vk=10.11~12.04Nm3。
(3)理论烟气量
在理论空气量下，天然气完全燃烧后产物中通常会有氮气水蒸气和三原子气体。
三原子气体体积为：
VRO2=VCO2+VSO2=0.01CO2+CO+mCmHn+H2S (2-5)
式中 VRO2 —— 三原子气体体积(Nm3)；
VCO2 、VSO2 —––– 二氧化碳和二氧化硫体积(Nm3)；
CO2、CO、CmHn、H2S —––– 燃气中各成份体积分数(%)。
依据公式(2-5)计算可得燃烧该燃气时理论烟气中三原子气体只有CO2，体积为VRO2=1.02 Nm3。
水蒸气体积为：
VH2O0=0.01H2+H2S+n2CmHn+120dq+VK0da (2-6)
式中 H2 —––– 氢气体积分数(%)；
dq —––– 燃气含湿量( kg/Nm3)，取0. 02kg/Nm3 ；
da —––– 空气含湿量( kg/Nm3)，取0.01 kg/Nm3。
依据公式(2-6)计算得到，理论烟气中水蒸气体积为VH2O0=2.00Nm3 / Nm3。
氮气体积为：
VN20=0.01N2+0.79Vk0 (2-7)
式中VN20 —––– 氮气体积(Nm3)。
依据公式(2-7)计算得，实际烟气中氮气体积为VN20= 7.62Nm3。
理论烟气量为：
Vy0=VRO2+VH2O0+VN20 (2-8)
由公式(2-8)计算得到，每1Nm3天然气充足燃烧时产生理论烟气量为Vy0=10.65 Nm3。
(4)实际烟气量
因为空气中H2S 、CmHn、CO2、CO含量较少，可忽略不计，所以在实际燃烧过程中，烟气中三原子气体体积，仍然可按公式(2-6)计算。
水蒸气体积为：
VH2O=0.01H2+H2S+n2CmHn+120dg+αVK0da (2-9)
式中α —––– 过量空气系数，取1.1。
由公式(2-9)计算得到，实际烟气中水蒸气体积为VH2O=2.16 Nm3。
氮气体积为：
VN2=0.01N2+0.79αVk0 (2-10)
依据公式(2-10)计算可得，实际烟气中氮气体积为VN2= 8.38Nm3。
过量氧气体积为：
VO2=0.21α-1VK0 (2- 11)
式中VO2 —––– 实际烟气中过量氧体积(Nm3)。
经过公式(2-11)计算可得，实际烟气中过量氧体积为VO2=0.20Nm3。
实际烟气量为：
Vy=VRO2+VH2O+VN2+VO2 (2-12)
由式(2-12)计算出，每1Nm3天然气燃烧后产生实际烟气量为Vy=11.76 Nm3。
2.2 燃气锅炉烟气余热计算
2.2.1 烟气余热回收潜力计算
以南京某高校燃气锅炉烟气余热回收为例进行计算和分析，这个燃气锅炉型号为WNS2-1.25-YQ，额定蒸发量为2t/h，额定蒸汽压力为1.25MPa，额定蒸汽温度为194℃，出口排烟温度为180℃，额定工况下天然气用量为160Nm3。然后对这个燃气锅炉进行烟气余热计算。
由式(2-1)~(2-12)计算这台锅炉额定工况下烟气成份含量和空气量，结果以下表2-2所表示。
表2-2每小时所需空气量和生成烟气量(Nm3)
项目
空气量
N2
CO2
O2
水蒸气
烟气总量
理论数值
1540.84
1218.80
163.76
0.00
320.72
1703.28
α=1.10
1694.92
1340.52
163.76
32.36
344.90
1881.54
α=1.20
1849.01
1462.25
163.76
64.72
346.75
2037.47
表2-3 α=1.1 时锅炉烟气成份百分比
项目
N2
CO2
O2
水蒸气
烟气总量
容积分数
71.25%
8.70%
1.72%
18.33%
100.00%
摩尔质量
28.01
44.01
32.00
18.02
27.64
质量分数
72.20%
13.86%
1.99%
11.95%
100.00%
依据上面表2-2和表2-3得悉，假如忽略空气含有水，则烟气中水蒸气质量和过量空气系数α没关系，而且伴随过量空气系数α不停提升，水蒸气体积分数就不停减小。
(1)显热计算
若烟气看作理想气体，理想气体真实摩尔比热和质量比热可依据式(2-13)计算：
CP，mi=R×αi+βiT+γiT2+δiT3+εiT4 (2-13)
CPi=Cp，m÷Mi (2-14)
式中 αi、βi、γi、δi、εi —––– 烟气某一组分比热系数；
Mi —––– 烟气某一组分摩尔质量，kg/ mol；
Cp，m —––– 烟气某一组分在某一温度下摩尔比热，kJ/ (mol∙K) ；
CPi —––– 烟气某一组分在某一温度下质量比热，kJ/ (kg∙K) ；
T —––– 烟气绝对温度，K。
由式(2-15)能够求得混合气体烟气各组分真实摩尔比热和其质量分数：
CP=Cpiri (2-15)
式中ri —––– 烟气各组分质量分数。
南京地域大气压力靠近1标准大气压，假如过量空气系数取α=1. 1时，烟气中水蒸气分压力为0. 017319MPa，这时烟气露点温度为57.60℃。由烟气露点温度，分别取五个不一样排烟温度，和冷凝换热器以前排烟温度180℃，查询在这些温度下烟气比热，由(2-13)~(2-15)公式计算，如表2-4所表示。
表2-4烟气定压比热CP
定压比热CP
kJ/(kg ℃ )
温度/℃
二氧化碳
180
60
50
40
30
20
0.98
0.879
0.869
0.86
0.85
0.84
水蒸气
1.928
1.874
1.871
1.876
1.864
1.861
氧气
0.958
0.925
0.923
0.921
0.918
0.916
氮气
1.05
1.04
1.04
1.04
1.04
1.04
烟气
1.135
1.107
1.105
1.103
1.102
1.1
由式(2-16)求出烟气显热：
Qxr=CpmT (2-16)
回收显热占燃料低位发烧量百分比，即因为回收显热能提升锅炉效率百分比按式(2-17)计算：
ηxr=QxrQdr×100% (2-17)
锅炉每小时天然气消耗量为160Nm3，燃料低位发烧量为34.43MJ/Nm3，每小时天然气完全燃烧放出低位热量为5.51GJ。由式(2-16)计算得出燃气锅炉在额定工况时，冷凝式换热器在不一样设计排烟温度下所能回收热量和燃气锅炉效率能提升值 [30、31]，如表2-5所表示。

表2-5各排烟温度下烟气显热损失值
排烟温度/℃
180
60
50
40
30
20
显热量/GJ
1.114
0.804
0.778
0.753
0.728
0.703
可回收量/GJ
0.000
0.310
0.335
0.361
0.386
0.411
锅炉效率提升/%
0.000
5.640
6.110
6.570
7.030
7.490
(2) 潜热计算
气化潜热是指将lkg饱和水完全变为饱和水蒸气后总共吸收热量。经过回收烟气余热中潜热和显热，从而实现对烟气中余热进行回收和利用。由上面计算可知，当过量空气系数α=1. 1时，露点为57.60℃，烟气中水蒸气容积成份为18.57%。在冷凝式换热器中，假如将烟气排烟温度降到比露点温度还低时，则烟气中水蒸气就能冷凝，而且释放出汽化潜热，从而能够极大提升换热器余热回收量，汽化潜热伴随压力升高而不停减小。当烟气中水蒸气气化潜热被回收并利用后，锅炉热效率显著提升[32]。
经过式(2-18)能计算出汽化潜热：
Qqr=mH2O∙γ (2-18)
依据式(2-19)计算锅炉热效率提升：
ηqr=QqrQxr×100% (2-19)
为了确定该燃气蒸汽锅炉排烟热能回收价值，下面计算不一样排烟温度下锅炉热效率提升百分比，图2-1所表示。
经过计算结果曲线可得出，曲线中有两个比较显著区域，第一在排烟温度在60℃左右时，锅炉热效率提升百分比值发生巨大改变，第二在60~180℃范围内改变很平缓，而在20~60℃范围内改变曲率较大。当排烟温度比烟气露点温度低时，烟气中水蒸气中汽化潜热将冷凝释放出来，当这部分热量被有效回收利用时，显著能够看出锅炉热效率得到提升。同时当烟气被回收时温度比露点温度低时，锅炉热效率比只回收显热时热效率要低很多，这显示出汽化潜热损失比烟气显热损失大。由曲线趋势能够发觉，伴随逐步降低排烟温度，潜热换热量占总换热量百分比就不停增大，而当烟气温度降到一定值后逐步稳定。这时，假如排烟温度继续降低，则烟气显热换热量相对于总换热量就没有回收优势。

图2-1不一样排烟温度下锅炉热效率提升百分比
假如从冷凝方一直看，伴随冷凝进行，烟气中水蒸气占比逐步降低，烟气分压力就会减小，则烟气露点温度也会减小，冷凝也会逐步困难。
在冷凝换热过程中烟气中水蒸气，先是经过烟气中不凝性气体，然后达成冷却壁面后开始冷凝，凝结成液态水珠。凝结换热不停进行使析出液体不停增加，凝结水珠就不停形成液膜。在液膜表面周围烟气中，伴随换热不停进行，水蒸气含量逐步降低，然后产生由一层不凝性气体组成气膜。这时，烟气中水蒸气穿过气膜和液膜就会产生冷凝现象，增加了烟气凝结换热阻力。所以，烟气中水蒸气含量越高，和壁面处水蒸气浓度差越大，则水蒸气凝结推进力就越大，烟气凝结换热就越强。从图2-2中可知，空气过量系数不停增大，水蒸气体积分数也不停减小，凝结换热也不停减弱。同时，空气过量系数减小使烟气量减小，这使得排烟所带走热损失也对应减小，而且因为烟气量降低，换热器中烟气流速也减小，所以和换热壁面接触时间增加，这将使换热愈加充足，回收余热量也将增加。所以燃气锅炉燃烧时空气过量系数不应该太高。

图2-2烟气中水蒸气体积分数随空气过量系数改变
2.2.2 冷凝式换热器热平衡计算
燃气锅炉烟气余热回收比较经济方法是加热锅炉送风或预热锅炉给水，为了确保换热器经济和安全性，加热后水或空气温度不应该过高，在常压下最高可加热到90℃左右。锅炉给水温度以常温计算，取15℃。把烟气温度降到不一样温度时，可加热空气量mg或水量mw可依据式(2-20)和式(2-21)计算：
mw=Qxr+QqrCpw×90-15 (2-20)
mg=Qxr+QqrCpg×90-15 (2-21)
取定压比热值下定性温度为(90+15 )/2=52. 5℃，空气定压比热容Cpg和水定压比热容Cpw为经过表可知，其值分别为4. 182kJ/ (kg∙℃)和1. 202kJ/ (kg∙℃)，根据式(2-20)和式(2-21)，计算当烟气被降低到不一样设计温度时，能加热空气量mg或水量mw，如表2-6所表示。
表2-6设计排烟温度下可加热给水和空气量
排烟温度/℃
60
50
40
30
20
回收热量/GJ
0.310
0.694
0.825
0.914
0.921
可加热水/kg
1011.426
1627.291
2238.032
2653.335
2936.871
和